王劍宏， 解全一， 劉 健， 小泉淳

(山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

日本的鐵路始于1872年新橋-橫濱路段的開通，目前鐵路總里程已超過25 000 km，其中隧道長3 968 km。日本最早的鐵路隧道已經(jīng)服役超過100年，如東海道線的清水谷戶隧道建于1887年，至今仍處于健康服役狀態(tài)(見圖1)，然而，也有很多隧道發(fā)生了剝落掉塊、開裂、滲漏水、變形等病害，嚴(yán)重影響了隧道的正常運(yùn)行[1]。

圖1 清水谷戶隧道

一方面，日本曾長時期忽視對鐵路隧道的養(yǎng)護(hù)，而采取"事后處治"運(yùn)營維護(hù)(運(yùn)維)模式，自1954年建立設(shè)施養(yǎng)護(hù)檔案以后才開始實(shí)施養(yǎng)護(hù)管理，1956年發(fā)布的《土木結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)心得(案)》為最初的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1974年發(fā)布的《土木結(jié)構(gòu)更換指南》為鐵路運(yùn)維的正式標(biāo)準(zhǔn)，明確了"檢查、診斷、措施與記錄"的基本運(yùn)維體系，提出了初期的 "預(yù)防型"運(yùn)維模式，經(jīng)多年逐步完善并形成了現(xiàn)在的鐵路運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著隧道老齡化問題日漸凸顯，發(fā)生了多起襯砌掉塊事故以及抗震性能不足等問題。為此，日本在2007年對鐵路運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了改版，采用了基于結(jié)構(gòu)設(shè)施性能的運(yùn)維體系，細(xì)化了病害預(yù)測模型及綜合了安全性、使用性與可修復(fù)性的結(jié)構(gòu)性能評價方法[2]。

另一方面，日本在近20年內(nèi)社會面臨老齡少子化、運(yùn)維現(xiàn)場技術(shù)人員不足等問題。2012年笹子隧道的頂板塌落事件引起了日本政府對基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的高度重視，并將2013年設(shè)為日本的"運(yùn)維元年"，啟動了"延長基礎(chǔ)設(shè)施壽命的行動計(jì)劃"[3]，并在國家科研項(xiàng)目"戰(zhàn)略性創(chuàng)新計(jì)劃(SIP)"(2014-2018年)中投入約150億日元用于基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、更新、管理技術(shù)研究，通過"政府+產(chǎn)學(xué)研"合作方式，有效利用信息通信(ICT)、物聯(lián)網(wǎng)(IOT)以及人工智能(AI)等前沿技術(shù)，推動設(shè)施運(yùn)維技術(shù)的自動化與高端化發(fā)展[4]。

鑒于我國的隧道建設(shè)及運(yùn)營管理情況[5-7]，本文在調(diào)研分析日本鐵路隧道的病害情況、運(yùn)維體系以及技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，探討今后隧道設(shè)施運(yùn)維體系與技術(shù)的發(fā)展方向，并建議重點(diǎn)研發(fā)一體化、自動化設(shè)備，快速維修加固工法以及智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)我國隧道設(shè)施的全生命周期成本(LCC: Life Cycle Cost)最低與健康服役壽命最長的目標(biāo)。

1 日本的鐵路隧道及病害

1.1 鐵路隧道建設(shè)情況

日本的鐵路隧道設(shè)施大多建造于二戰(zhàn)以前以及戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期。據(jù)日本《鐵路統(tǒng)計(jì)年報(bào)》[8]，至2017年鐵路隧道數(shù)量為4 924座，總長約3 968 km。其中，由日本鐵路管理的部分約為2 462 km，民營與公營鐵路約為1 506 km。日本鐵路隧道建設(shè)情況如圖2所示。

(a) 隧道數(shù)量與建設(shè)時期

(b) 隧道年齡

日本的鐵路發(fā)展已有100余年。由圖2可知，建設(shè)高峰期為1912-1942年與1956-1974年，隧道的平均年齡為68年，年齡超過50年的隧道占比高達(dá)70%。民營鐵路自2012年以來增加了52座，而JR東日本鐵路僅增加1座。北海道等地由于人口減少，鐵路無法維持運(yùn)營而被迫停運(yùn)近10 km。東京地鐵自1927年開通了第1條銀座線，此后近50年內(nèi)先后建成并開通了日比谷線、東西線、丸之內(nèi)線、千代田線以及有樂町線； 但在1975-2000年的25年間，只開通了大江戶線、半藏門線、南北線以及有樂町線的部分新線，地鐵建設(shè)速度緩慢，每年增長5～8 km；2000年以后地鐵發(fā)展基本停止，僅于2008年開通了1條18 km的地鐵13號線(也稱副都心線)。目前東京的地鐵總長為304 km。JR東日本鐵路隧道的施工方法以礦山法居多，占87%,明挖法占7%，盾構(gòu)法占6%；東京地鐵采用明挖法施工的隧道占65%，采用盾構(gòu)法施工的隧道占35%。日本鐵路隧道施工方法見圖3。

(a) JR東日本鐵路

(b) 東京地鐵

1.2 隧道性能要求

為有效保障鐵路運(yùn)營安全，日本的鐵路運(yùn)維規(guī)范[9]明確規(guī)定了隧道設(shè)施的性能及具體要求。隧道性能一般包括安全性、使用性、可修復(fù)性(韌性)，具體要求如表1所示。

由表1可知： 隧道安全性能的要求事項(xiàng)最多，包括隧道結(jié)構(gòu)安全與行車安全； 使用性能要求保障隧道內(nèi)的設(shè)備能正常運(yùn)行，表面污垢不能影響檢查等； 修復(fù)性能要求隧道結(jié)構(gòu)具有良好的韌性，在突發(fā)災(zāi)害時不會發(fā)生隧道倒塌等。

1.3 隧道病害類型與原因

隧道作為被圍巖約束的圓弧形封閉結(jié)構(gòu)，一般具有良好的安全性與穩(wěn)定性，然而，當(dāng)隧道遭受圍巖偏壓、地震等突發(fā)災(zāi)害、環(huán)境侵蝕以及材料自身劣化時，則會發(fā)生降低隧道性能的病害。隧道病害主要包括混凝土開裂、滲漏水、剝落掉塊、凍害、鋼筋銹蝕、材料劣化以及過大變形等。

表1 隧道性能及要求

按照施工方法和結(jié)構(gòu)形式，對日本鐵路隧道的病害進(jìn)行分類，并分析其原因，結(jié)果如圖4所示[9]。由圖4(a)可知： 日本鐵路隧道最常見的病害是剝落掉塊、開裂和接縫張口、材料劣化和材質(zhì)不良以及滲漏水；從隧道類型來看，發(fā)生病害最多的是素混凝土礦山法隧道，其次是磚石襯砌礦山法隧道、明挖法隧道。由圖4(b)可知，隧道病害產(chǎn)生的原因以設(shè)計(jì)、施工為主，占40%，環(huán)境和材料劣化原因分別占27%和23%，而只有10%的病害是由外力變化引起的。

針對鐵路隧道最大的病害--剝落掉塊，日本國土交通省[10]調(diào)查了2012年1月1日至2014年9月30日期間發(fā)生的61次剝落掉塊事件，發(fā)現(xiàn)其中水泥砂漿掉塊最多。表2為剝落掉塊分類及病害原因。

由表2可知： 結(jié)構(gòu)主體混凝土發(fā)生剝落掉塊10次，表面裝飾水泥砂漿發(fā)生剝落掉塊20次，表面維修水泥砂漿發(fā)生剝落掉塊31次，這與礦山法隧道采用表面抹灰裝飾及后來的水泥砂漿維修有關(guān)； 55.7%的剝落掉塊是由滲漏水及凍融等環(huán)境引起的，3.3%的剝落掉塊是由外力變化引起的，9.8%的剝落掉塊與設(shè)計(jì)、施工有關(guān)，還有31.2%的剝落掉塊原因不明，可能與材料劣化等有關(guān)。此外，通過分析隧道建設(shè)時期，發(fā)現(xiàn)剝落掉塊與隧道年齡之間并沒有必然關(guān)系。根據(jù)隧道病害類型及形成原因，可采取斷面修復(fù)法、排水或封堵法、內(nèi)襯加固法以及金屬網(wǎng)粘貼法[9]等處治措施。

(a) 病害類型

(b) 病害原因

表2 剝落掉塊分類及病害原因

2 鐵路隧道維護(hù)管理

2.1 運(yùn)維體系[9]

隧道設(shè)施的安全運(yùn)行需要定期檢查、健康診斷、維修加固等養(yǎng)護(hù)管理工作。1974年以前，日本鐵路運(yùn)維采取"事后處治"，隨著老齡隧道的增多，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用逐年增加，以延長壽命為目標(biāo)的"預(yù)防型"運(yùn)維便成為基本體系，所有隧道的運(yùn)營維護(hù)都必須遵照《鐵路結(jié)構(gòu)等養(yǎng)護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)》。鐵路設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)流程如圖5所示。

圖5 鐵路設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)流程

2.1.1 隧道檢查

鐵路隧道檢查基本體系如圖6所示，分為初始檢查、定期檢查、專項(xiàng)檢查和應(yīng)急檢查，其中定期檢查分為常規(guī)檢查和特別檢查。

圖6 鐵路隧道檢查基本體系

初始檢查是對新建、改建隧道所實(shí)施的檢查,記錄隧道初始狀態(tài)作為運(yùn)營管理的初始資料。定期檢查需要全面把握隧道的健康狀態(tài)，以判斷是否需要專項(xiàng)檢查，常規(guī)檢查每2年1次，特別檢查原則上對于新干線每10年1次，其他鐵路不超過每20年1次。專項(xiàng)檢查是針對健康度為A的設(shè)施實(shí)施的更加詳細(xì)的調(diào)查，通常用于推斷病害成因、精細(xì)判定健康度及決定維修加固措施。應(yīng)急檢查是在地震、大雨雪等引起的洪水、火災(zāi)等突發(fā)性災(zāi)害后所實(shí)施的隧道性能調(diào)查。此外，當(dāng)隧道受鄰近施工、地面施工等外界影響可能引發(fā)隧道病害時，也需要應(yīng)急檢查。

2.1.2 健康診斷

隧道健康診斷可采用定量分析法或半定量分析法，評定方法有單項(xiàng)評價法與綜合評價法。定量分析法是利用劣化預(yù)測公式或數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果來判定健康等級，而半定量分析法是根據(jù)檢查結(jié)果判斷病害演變階段(潛伏期、發(fā)展期、加速期及劣化期)，進(jìn)而判定健康度。

根據(jù)裂縫、滲漏水、材料劣化、鋼筋銹蝕、道床病害等多項(xiàng)評價結(jié)果，采用最嚴(yán)重等級作為隧道健康度的方法為單項(xiàng)評價法，而通過綜合各項(xiàng)評定結(jié)果來確定隧道健康度的方法為綜合評價法。一般情況下，對于重要的隧道設(shè)施還需要采用數(shù)值分析的方法，通過建立病害損傷模型，定量分析結(jié)構(gòu)性能，評定健康度。表3為鐵路隧道健康度分級與處治。

表3 鐵路隧道健康度分級與處治

由表3可知，健康度根據(jù)隧道損傷、病害及危險(xiǎn)程度來評定。

2.1.3 措施對策

對于健康度為A級的隧道，必須綜合考慮隧道結(jié)構(gòu)性能及對列車運(yùn)行安全的影響，采取監(jiān)視調(diào)查、維修加固、運(yùn)行限制與更新改建等措施，具體可根據(jù)病害情況采取其中1種或多種措施。

維修加固可恢復(fù)與提高隧道的耐久性和承載力，具體方法包括防止材料劣化的表面處理法、處理剝落的斷面修復(fù)法、防滲漏水的排水或止水法、防凍融的隔熱保溫法及抗外力的內(nèi)襯加固法等。由于隧道外有圍巖土體、內(nèi)有軌道設(shè)備，維修加固作業(yè)困難，因此在工法選擇上需充分考慮施工對象、作業(yè)時間及空間等要素。

2.1.4 記錄存檔

隧道的性能評價、病因分析、養(yǎng)護(hù)方案制定都離不開結(jié)構(gòu)、材料、病害及其演變信息，因此，除了收集設(shè)計(jì)施工資料外，還必須及時記錄每次隧道檢查、診斷評價結(jié)果以及所采取的處治措施，并整理成檔案長期保管。隧道建設(shè)資料包括勘察設(shè)計(jì)資料、地質(zhì)調(diào)查結(jié)果、施工記錄、鄰近施工情況、降雨和氣溫等周邊環(huán)境信息。運(yùn)維記錄需要描述襯砌狀況以及有無病害、病害演變、措施效果等。對于裂縫、變形等需要記錄測量時間、地點(diǎn)，并整理成圖表。如今，為了提高記錄的精確性，便于長期保管，大多管理單位都建立了運(yùn)維管理信息數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)線上查詢、現(xiàn)場記錄及健康度判定等。

2.2 新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用及存在的問題

在基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維方面，日本政府[3-4]提出了以下戰(zhàn)略技術(shù)發(fā)展方向： 1)延長設(shè)施壽命的運(yùn)維計(jì)劃的制定方法； 2)應(yīng)用ICT技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施自動檢查診斷系統(tǒng)； 3)維修加固的新材料和新工藝； 4)基礎(chǔ)設(shè)施的綜合管理系統(tǒng)。其中，結(jié)構(gòu)加固工藝、碳纖維應(yīng)用、資產(chǎn)管理方法以及自動化檢測技術(shù)等都已在實(shí)際運(yùn)維中得到應(yīng)用。

2.2.1 自動檢測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

近20年來，日本發(fā)展了多種可替代人工目測與錘擊聽音檢查的自動檢查設(shè)備和管理系統(tǒng)[11-14]。例如： JR東日本鐵路[13]1999年采用第1臺移動式激光檢查設(shè)備--隧道襯砌表面攝像車(TuLIS: Tunnel Lining Scanning Car)(見圖7(a))； 2004年采用隧道襯砌檢測車(CLIC： Concrete Lining Inspection Car)(見圖7(b))。TuLIS是通過高感光傳感器檢測隧道壁面上反射的微弱激光并轉(zhuǎn)化成256色數(shù)字圖像，沿隧道方向連續(xù)疊加組合形成清晰的隧道內(nèi)表面圖像(見圖8)。JR東日本鐵路于2020年1月在新干線隧道采用第4代新型TuLIS，可同時獲取隧道表面精度為1 mm的2D畫像和3D形狀數(shù)據(jù)，并通過激光反射拍攝，大大提高了襯砌表面凹凸及裂縫畫像的清晰度。此外，檢測速度也由原來的8.5 km/h提高到了20 km/h。CLIC是利用電磁雷達(dá)通過16個發(fā)射天線與16個接收天線組合成256種電磁波對混凝土內(nèi)部進(jìn)行三維探測，可以3.5 km/h的速度精確檢查襯砌內(nèi)部的空洞、剝落等病害。

在信息數(shù)據(jù)管理方面，JR東日本鐵路于2008年采用土木隧道管理系統(tǒng)(MARS： Maintenance Assistant system for Railway Structures)，實(shí)現(xiàn)了檢查結(jié)果(包括病害照片和圖紙)、設(shè)計(jì)、施工、維修加固措施等資料的數(shù)據(jù)化。同時，該系統(tǒng)還具有制定檢查、運(yùn)維計(jì)劃的功能。但考慮到現(xiàn)場的復(fù)雜性，隧道檢查仍以專職技術(shù)人員檢查為主，2014年JR東日本鐵路還規(guī)定隧道檢查隊(duì)伍必須由隧道結(jié)構(gòu)專家?guī)ш?duì)，作為輔助檢查，每5年利用TuLIS與CLIC進(jìn)行檢測，并將襯砌混凝土表面和內(nèi)部狀況的檢查結(jié)果上傳到"MARS"，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的一體化管理。

(a) 襯砌表面攝像車(TuLIS)

(b) 襯砌檢測車(CLIC)

圖8 襯砌表面激光掃描圖像 (單位： mm)

2.2.2 智能化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

2016年，日本在"未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃"中提出未來社會的新模式Society 5.0： 通過發(fā)展IOT及AI技術(shù)，以融合網(wǎng)絡(luò)虛擬空間和現(xiàn)實(shí)物理空間。IOT技術(shù)在應(yīng)變測量、病害監(jiān)測等方面，AI技術(shù)在大數(shù)據(jù)、圖像分析、病害識別以及性能預(yù)測等方面得到了發(fā)展應(yīng)用。其中，裂縫識別采用AI技術(shù)已經(jīng)處于實(shí)用階段，F(xiàn)UJIFILM公司于2018年開始提供線上服務(wù)。此外，還有利用AI技術(shù)分析敲音數(shù)據(jù)來診斷混凝土空鼓[15]。然而，大多數(shù)AI技術(shù)的應(yīng)用還處于研究初期階段，2019年JSCE與SIP共同發(fā)布的《基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理中的AI技術(shù)應(yīng)用調(diào)查報(bào)告》[16]明確指出，目前的AI技術(shù)只是運(yùn)維的一種輔助手段，真正滿足工程應(yīng)用還需要解決以下問題： 1)怎樣在設(shè)施維護(hù)管理中正確應(yīng)用AI技術(shù)解決實(shí)際問題； 2)如何利用具體實(shí)例展示AI技術(shù)在運(yùn)維中的應(yīng)用方法； 3)如何解決AI技術(shù)中的大量不確定要素和數(shù)據(jù)不足等諸多問題?？傊瑢τ贏I技術(shù)工程應(yīng)用，從實(shí)際工程角度構(gòu)建AI算法模型尤為重要。此外，在數(shù)據(jù)不足的情況下，如何解釋結(jié)果的正確性及合理性也是AI技術(shù)應(yīng)用面臨的一大問題。今后，隨著IOT及AI技術(shù)的發(fā)展，期待能解決以上應(yīng)用難題，推動運(yùn)維體系由"預(yù)防型"向更合理的"預(yù)測型"轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)低成本高效運(yùn)維。

2.2.3 隧道運(yùn)維中存在的問題

隧道維護(hù)管理應(yīng)根據(jù)使用功能及結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行統(tǒng)一檢查，同類隧道的建設(shè)及養(yǎng)護(hù)信息的共享有助于性能評價、健康診斷、病因推斷及措施制定。但目前隧道運(yùn)維中存在以下問題[17]： 1)由于各管理單位條件的差異，導(dǎo)致相同條件下同類隧道的運(yùn)維無法統(tǒng)一； 2)雖然自動化檢測技術(shù)很多，但因成本過高或未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，只能作為輔助檢查手段服務(wù)于部分隧道； 3)運(yùn)維技術(shù)的提升需要大量的隧道病害、破壞等數(shù)據(jù)積累，但很多信息因保密無法實(shí)現(xiàn)資源共享； 4)運(yùn)維技術(shù)人員、隧道專業(yè)人才不足及人才老齡化嚴(yán)重等。這些問題不僅阻礙了運(yùn)維技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展，也影響了整個運(yùn)維成本和質(zhì)量。

3 我國隧道運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展建議

截至2019年年底，我國投入運(yùn)營的鐵路隧道總長已超過18 041 km，公路隧道總長18 966.6 km，運(yùn)營軌道交通總長6 736.2 km，其中地鐵總長5 180.6 km[18-19]。為保障隧道的安全運(yùn)營，亟需研發(fā)相關(guān)運(yùn)維技術(shù)，建立以全生命周期成本與性能為控制指標(biāo)的"預(yù)測型"運(yùn)維體系?？紤]到基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模大、涉及問題復(fù)雜，需要通過多學(xué)科融合交叉，與建管部門聯(lián)合組建產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)開展系統(tǒng)性的運(yùn)維體系及相關(guān)技術(shù)研究。

3.1 發(fā)展一體化運(yùn)維技術(shù)

3.1.1 多功能一體化檢測

近些年，國內(nèi)外開展了很多隧道自動化檢測技術(shù)研究，主要是利用數(shù)碼攝像、激光掃描、紅外線等非接觸式無損檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道裂縫、漏水、剝落掉塊等病害的無損自動檢測[6-7，11-14，17]，但是各檢測技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用往往導(dǎo)致成本過高，亟需組合各種技術(shù)形成一體化檢測技術(shù)。例如，可通過組合圖像識別裂縫技術(shù)和基于光學(xué)模塊激光掃描儀檢測裂縫大小來形成高效的一體化裂縫檢測技術(shù)。此外，隨著數(shù)字圖像、激光擊振等無損檢測技術(shù)的成熟，以及高精度AI技術(shù)的發(fā)展，期待研制多功能一體化的檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動高精度檢查，以提高效率，節(jié)省運(yùn)維成本。

3.1.2 檢查、診斷及維修一體化

受鐵路運(yùn)行時間與隧道空間制約，亟需研發(fā)集病害檢查、性能診斷與現(xiàn)場維修于一體的檢修技術(shù)設(shè)備。一體化的檢修設(shè)備研究在國外已有開展， 例如日本RIKEN與多家單位共同研發(fā)了利用激光掃描檢測外觀、激光打擊檢查內(nèi)部缺陷以及激光切割處治剝落混凝土的一體化隧道檢修系統(tǒng)[20](見圖9)。該系統(tǒng)的激光掃描儀基于時間延遲積分原理，通過在行駛中投射條形激光和采集反射光進(jìn)行測量，在時速為30 km/h的條件下分辨率可達(dá)200 μm。激光打擊檢查設(shè)備是通過干涉原理來增強(qiáng)激光能量實(shí)現(xiàn)"激光打擊"，其打擊速度可比傳統(tǒng)的手動錘擊快20倍?，F(xiàn)場維修是利用高強(qiáng)激光切除裂損剝落的水泥或混凝土塊，實(shí)現(xiàn)對剝落掉塊的處治。

圖9 檢測診斷與整治一體化裝置[17]

3.1.3 信息數(shù)據(jù)的一體化管理

設(shè)計(jì)施工及運(yùn)維信息的數(shù)據(jù)化、一體化管理系統(tǒng)對于隧道的信息存儲及數(shù)據(jù)獲取尤為重要。以往隧道的信息數(shù)據(jù)多以紙質(zhì)資料的形式保存，首先需要讀取圖紙信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，其次收集并傳送現(xiàn)場檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息一體化，最終由控制中心統(tǒng)一管理。建立多端共享的一體化信息管理系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維的必要條件。因此，應(yīng)對每座隧道建立數(shù)據(jù)信息檔案，包括隧道的設(shè)計(jì)施工資料以及養(yǎng)護(hù)與維修記錄等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個線路信息數(shù)據(jù)的一體化管理。

3.2 研發(fā)快速維修加固技術(shù)

維修加固措施對于保障鐵路隧道正常運(yùn)行、延長隧道壽命尤為重要，因此，亟需研發(fā)基于隧道結(jié)構(gòu)及病害類型的、快速可靠的維修加固技術(shù)。

針對隧道主要病害，通過借鑒日本最新的維修加固新工藝及新材料[21]，可開展如表4所示的快速可靠的維修加固技術(shù)研究。對于通常發(fā)生在施工縫、接縫及開裂部位的滲漏水病害，在建設(shè)階段可采用改性瀝青或橡膠止水帶、遇水膨脹橡膠條等密封材料進(jìn)行防水，在運(yùn)營階段可采用嵌填或壓注水泥砂漿或環(huán)氧樹脂粘合劑進(jìn)行防水。封堵止水材料有水泥基漿液和化學(xué)漿液，其中環(huán)氧樹脂類、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺類等化學(xué)漿液因具有良好的填充性和抗?jié)B性以及膠凝時間易控制等優(yōu)點(diǎn)被較多采用。

表4 快速可靠的維修加固技術(shù)

對于襯砌剝落，可采用網(wǎng)錨噴或素噴加固等措施。若病害嚴(yán)重影響隧道安全，可根據(jù)拱頂與拱腰裂縫寬度、錯臺量、裂紋交織、拱頂壓碎、襯砌脫落以及結(jié)構(gòu)變形等情況，選擇錨噴網(wǎng)支護(hù)、鋼襯支護(hù)、加筑套拱內(nèi)襯、預(yù)制管片等方法進(jìn)行內(nèi)部加固，也可通過注漿改良圍巖為隧道提供穩(wěn)定的外部支持。圖10示出日本隧道工程加固實(shí)例[22-23]。

(a) 山嶺隧道的修補(bǔ)法--鋼板內(nèi)襯[19]

(b) 盾構(gòu)隧道加固法--鋼制梯形管片[20]

隧道結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)一般采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，通過分析既有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)可大大提高加固設(shè)計(jì)的合理性。此外，隧道維修加固技術(shù)的研發(fā)，需要綜合考慮隧道空間、隧道性能要求、列車運(yùn)行等條件以及加固后的隧道壽命、全生命周期成本，重點(diǎn)研發(fā)快速可靠的新工藝以及新型高效補(bǔ)強(qiáng)材料，如修補(bǔ)混凝土表面的高耐久性涂料、復(fù)合碳纖維布與粘貼膠以及可自修復(fù)的功能性材料等。

3.3 開發(fā)智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)

未來，隧道運(yùn)維將會成為我國隧道工程必不可少的工作，亟需開發(fā)智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)進(jìn)行隧道建設(shè)與運(yùn)維數(shù)據(jù)信息的管理、性能與成本的評價預(yù)測以及養(yǎng)護(hù)方案的優(yōu)化等。運(yùn)維管理系統(tǒng)必須具有以下主要功能： 1)根據(jù)隧道性能要求建立詳細(xì)的管理指標(biāo)； 2)制定可靠的"預(yù)測型"運(yùn)維管理體系； 3)確立有效的病害檢查手段與實(shí)施時期； 4)反演病害成因、評價性能及成本； 5)制定合理的維修加固措施。

日本學(xué)者多年來一直致力于研發(fā)智慧運(yùn)維系統(tǒng)[13，23-24]，如JR東日本鐵路的"MARS"，首都高速的"i-Dreams"系統(tǒng)等。圖11為"預(yù)測型"運(yùn)維管理系統(tǒng)概念圖[25-27]。通過該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)信息的收集和全生命周期成本及性能的預(yù)測，并可基于隧道性能合理與全生命周期成本最低原則優(yōu)化養(yǎng)護(hù)方案。其中，多維智能模型是利用GIS、BIM和三維激光掃描等技術(shù)構(gòu)筑地層與隧道的三維模型，必要時可自動生成有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能同步分析評價?？紤]到隧道設(shè)施的安全與運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性，基于結(jié)構(gòu)病害-性能退化-結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)性能評價，然后評價預(yù)測全生命成本進(jìn)行養(yǎng)護(hù)方案優(yōu)化，并通過智慧運(yùn)維管理平臺指導(dǎo)隧道養(yǎng)護(hù)。由于鐵路隧道的設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大，隧道也多采用耐久性較好的混凝土材料，大多數(shù)隧道在長期服役中僅有局部區(qū)段發(fā)生病害。因此，調(diào)查分析隧道的主要病害位置及特征，明確養(yǎng)護(hù)管理的重點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)合理性、降低設(shè)施養(yǎng)護(hù)成本的有效方法。

圖11 智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)概念圖

Fig. 11 Concept drawing of intelligent operation maintenance management system

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)調(diào)研了日本鐵路及軌道交通隧道的建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)現(xiàn)狀，分析隧道檢查、診斷、維修加固及記錄等方面的問題，并結(jié)合我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度快、規(guī)模大的特點(diǎn)，探討了我國未來隧道運(yùn)維技術(shù)的研究發(fā)展方向。

日本鐵路隧道老齡化嚴(yán)重，2017年隧道的平均年齡為68年。日本鐵路隧道病害主要有剝落掉塊、開裂、劣化、滲漏水等，其中約40%的病害與設(shè)計(jì)施工有關(guān)，27%的病害與環(huán)境有關(guān)、23%的病害與材料有關(guān)。鑒于日本的經(jīng)驗(yàn)，我國的隧道建設(shè)應(yīng)該在設(shè)計(jì)水平和施工質(zhì)量上加以提高，以避免大規(guī)模隧道病害的發(fā)生。日本鐵路隧道的運(yùn)維采用 "預(yù)防型"體系，檢測技術(shù)也從傳統(tǒng)的人工目測、錘擊聽音與紙面記錄向自動化、高速化、數(shù)值化和智能化方向發(fā)展，但仍以具有隧道結(jié)構(gòu)專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)的專家技術(shù)人員為核心，說明運(yùn)維的本質(zhì)是隧道結(jié)構(gòu)問題。

考慮到我國隧道數(shù)量多、規(guī)模大，基于多年運(yùn)維方面的研究，建議構(gòu)建以全生命周期成本與性能為控制指標(biāo)的"預(yù)測型"運(yùn)維新體系，發(fā)展一體化運(yùn)維技術(shù)設(shè)備、快速維修加固技術(shù)以及多功能智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)，構(gòu)建與我國隧道大國相適應(yīng)的低成本及高效實(shí)用的運(yùn)維管理系統(tǒng)。